Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Mô phỏng transistor ống nanô carbon đồng trục

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:117

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngành công nghiệp bán dẫn trên thế giới đang tiếp tục xu hướng thu nhỏ kích thước, giảm công suất tiêu thụ, giảm điện áp nguồn nuôi, giảm giá thành, tăng mật độ tích hợp, tăng khả năng đáp ứng tần số và mở rộng dải nhiệt độ làm việc của linh kiện... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Mô phỏng transistor ống nanô carbon đồng trục

ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  NGUYỄN THỊ LƯỠNG MÔ PHỎNG TRANSISTOR ỐNG NANÔ CARBON ðỒNG TRỤC LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ TP. Hồ Chí Minh - 2010
ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  NGUYỄN THỊ LƯỠNG MÔ PHỎNG TRANSISTOR ỐNG NANÔ CARBON ðỒNG TRỤC Chuyên ngành:Vật lý vô tuyến và ñiện tử Mã số: 62.44.03.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn: PGS.TS. ðinh Sỹ Hiền Tp. Hồ Chí Minh - 2010
i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Kết quả nêu trong luận án là trung thực và không trùng lặp với các công trình ñã công bố trong và ngoài nước thuộc lĩnh vực nghiên cứu cơ bản. Tác giả Nguyễn Thị Lưỡng
LỜI CẢM ƠN Luận án này là một công trình khoa học, thuộc lĩnh vực linh kiện ñiện tử nanô, là kết quả của sự nỗ lực, phấn ñấu mà bản thân tôi có ñược trong nhiều năm học tập, giảng dạy và nghiên cứu. Lời ñầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến PGS.TS. ðinh Sỹ Hiền, người ñã tận tình hướng dẫn, ñịnh hướng, ñộng viên và giúp ñỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành tỏ lòng biết ơn ñến Quý thầy giáo, cô giáo của Khoa ðiện Tử- Viễn Thông, Phòng Quản lý nghiên cứu Khoa học và ðào tạo Sau ðại học của Trường ðại học Khoa học Tự nhiên ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS ðặng Mậu Chiến và các cán bộ kỹ thuật phòng thí nghiệm công nghệ nanô ðại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh ñã tạo ñiều kiện và giúp ñỡ tôi tiếp cận với các thiết bị chế tạo CNTFET. Xin cảm ơn BGH, các thầy cô trong khoa ðiện – ðiện tử trường ðại học Sư phạm kỹ thuật Tp.HCM cùng các ñồng nghiệp, bạn bè gần xa luôn ñộng viên và giúp ñỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án này. Sau cùng, tôi xin cảm ơn gia ñình tôi, ba mẹ và các anh chị em ñặc biệt là chồng và con gái ñã luôn quan tâm, ñộng viên, giúp ñỡ tôi trong những lúc khó khăn nhất. Với tấm lòng luôn biết ơn, tôi xin mãi khắc ghi! Tác giả Nguyễn Thị Lưỡng
iii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam ñoan ............................................................................................................... i Lời cảm ơn .................................................................................................................ii Mục lục ..................................................................................................................... iii Danh mục các bảng ................................................................................................... vi Danh mục các hình vẽ ..............................................................................................vii Danh mục các kí tự và từ viết tắt .............................................................................xii MỞ ðẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. Xu hướng phát triển công nghệ chế tạo IC ..............................................5 1.2. Phân loại linh kiện ñiện tử nanô ...............................................................6 1.3. Nghiên cứu về transistor trường ống nanô carbon ………………………..7 1.4. Nhận xét ..................................................................................................... 11 Chương 2: TRANSISTOR TRƯỜNG ỐNG NANÔ CARBON 2.1. Ống nanô carbon ........................................................................................ 12 2.1.1. Giới thiệu .......................................................................................... 12 2.1.2. Cấu trúc nguyên tử .......................................................................... 13 2.1.3. Công nghệ chế tạo CNT .................................................................... 18 2.2. Transistor trường ống nanô carbon (CNTFET) ......................................... 19 2.2.1. Cấu trúc của CNTFET....................................................................... 19 2.2.2. Hoạt ñộng của CNTFET .................................................................. 23 2.2.3. So sánh MOS-CNTFET với Si-MOSFET ....................................... 26 2.2.4. Một số ứng dụng CNTFET .............................................................. 27
iv 2.3. Nhận xét ....................................................................................................... 31 Chương 3: THUẬT TOÁN HÀM GREEN KHÔNG CÂN BẰNG TRONG MÔ PHỎNG CÁC ðẶC TRƯNG CỦA CNTFET ðỒNG TRỤC 3.1. Thuật toán hàm Green không cân bằng (NEGF) ........................................ 32 3.1.1. Giới thiệu về thuật toán NEGF ........................................................ 32 3.1.2. Dòng chảy qua một mức năng lượng rời rạc .................................... 35 3.1.3. Tác ñộng của ñiện thế ngoài ............................................................. 40 3.1.4. ðiện dung lượng tử hóa .................................................................... 46 3.1.5. Những phương trình NEGF cho nhiều mức năng lượng ................. 49 3.2. Xây dựng thuật toán NEGF cho linh kiện CNTFET ................................. 51 3.2.1. Hàm Green không cân bằng (NEGF) ............................................... 51 3.2.2. ðặc trưng linh kiện ở giới hạn ñạn ñạo ............................................ 52 3.2.3. Thuật toán NEGF cho tán xạ phonon trong CNTFET ...................... 54 3.2.4. Tán xạ ñiện tử - phonon ...................................................................58 3.3. Mô hình toán học sử dụng trong mô phỏng CNTFET ñồng trục .............. 61 3.4. Giải thuật mô phỏng ñặc trưng I-V của CNTFET ñồng trục ..................... 63 3.5. Thuật toán mô phỏng ñặc trưng dòng – thế dùng Matlab ......................... 65 3.6. Nhận xét ...................................................................................................... 67 Chương 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1. Mô phỏng biểu diễn hai chiều ..................................................................... 69 4.1.1. Xét ảnh hưởng của kim lọai dùng làm ñiện cực............................... 69 4.1.2. Xét ảnh của vật liệu ñiện môi làm ôxít cổng ................................... 71 4.1.3. Xét ảnh hưởng của ñường kính ống CNT ........................................ 72 4.1.4. Xét ảnh hưởng của thế cổng VGS ..................................................... 74 4.2. Mô phỏng biểu diễn ba chiều....................................................................... 75 4.2.1. Xét ảnh hưởng của chiều dài kênh dẫn ............................................ 75 4.2.2. Xét ảnh hưởng của nhiệt ñộ ............................................................ 76 4.2.3. Xét ảnh hưởng của bề dày lớp ôxít cổng ......................................... 77
v 4.2.4. Xét ảnh hưởng ñiện áp cổng VGS ...................................................... 78 4.3. Mô phỏng ñặc trưng CNTFET có tán xạ phonon ........................................ 79 4.4. So sánh kết quả nghiên cứu với một số công trình ñã công bố.................. 80 4.5. Nhận xét ........................................................................................................ 82 Chương 5: ðỀ XUẤT THỰC NGHIỆM 5.1. ðề xuất chế tạo CNTFET loại N cổng sau .................................................. 85 5.2. ðề xuất chế tạo CNTFET loại N cổng trên ................................................. 87 5.3. Phát triển biểu thức quan hệ I-V cho CNTFET ñồng trục ........................... 89 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 95 KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ................................. 96 Danh mục công trình sử dụng trong luận án...................................................... 97 Tài liệu tham khảo ................................................................................................ 99
vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Mô tả Trang Bảng 2.1 So sánh một số thông số ñặc trưng quan trọng của 27 CNTFET với hai loại Si-MOSFET hiện ñại Bảng 4.1 Bảng 4.1. ðộ cao rào thế tương ứng với các kim loại 69 dùng làm ñiện cực Bảng 4.2 Bảng 4.2. Bảng thông số vật ôxít liệu ñiện môi 71 Bảng 4.3 Bảng 4.3.Thông số một số ống nanô carbon ñơn 73 tường ñược sử dụng mô phỏng Bảng 5.1 Mối liên hệ dòng thế Id-Vd trong biểu thức giải tích 94 ở hai vùng hoạt ñộng bão hòa và không bão hòa cho CNTFET
vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Chú thích Trang Hình 1.1 Tiến trình giảm nhỏ kích thước của transistor 5 Hình 1.2 Phân loại linh kiện ñiện tử nanô 6 Hình 1.3 Cấu trúc CNTFET thẳng ñứng 8 Hình 1.4 Mô hình và ñặc trưng I-V của CNTFET ñồng trục 8 Hình 1.5 Cấu trúc và ñặc trưng của CNTFET ñồng trục có xét 9 ñến tán xạ Hình 1. 6 Khảo sát ảnh hưởng của ñường kính ống CNT lên ñặc trưng 10 I-V của CNTFET ñồng trục Hình 1.7 Mô hình CNTFET ñồng trục và mô hình tương ñương 10 tín hiệu nhỏ Hình 2.1 Sự sắp xếp các orbital lớp graphen cuộn tròn thành 13 CNT Hình 2.2 a) ðịnh dạng của ống nanô carbon từ lá graphen; b) các cấu 14 trúc ống nanô carbon; c) phân tử fullerene (C60) Hình 2.3 ðịnh dạng của CNT ñơn tường từ tấm graphen 15 Hình 2.4 ðịnh nghĩa vectơ trong mạng lục giác. Mắt lưới khi chưa 15 ñược cuộn (A) và cấu trúc ống nanô (16,0) hình thành sau khi cuộn (B) Hình 2.5 Cấu trúc ống nanô carbon với những chỉ số (n, m) khác 16 nhau Hình 2.6 Hình ảnh minh họa và ñặc trưng của một CNTFET cổng sau 19 Hình 2.7 Hình ảnh minh hoạ cấu trúc họ ñặc trưng của CNTFET 20 cổng trên Hình 2.8 Ảnh AFM và sơ ñồ mặt cắt ngang của CNT n-FET. SWNT 21
viii (d ∼ 1.5 nm) có chiều dài kênh LS/D _150 nm giữa hai cực nguồn/máng Pd. Lớp ñiện môi cổng HfO2 dày tOX = 8 nm. ðặc trưng dòng máng của CNTFET phẳng mô tả sự dẫn ñiện lưỡng cực ñược mô tả ở hình cuối Hình 2.9 Hình ảnh minh hoạ cấu trúc CNTFET thẳng ñứng 22 Hình 2.10 Minh họa sơ ñồ khối của một SB-CNTFET 23 Hình 2.11 Sơ ñồ khối của một MOS-CNTFET 23 Hình 2.12 Minh hoạ dải năng lượng của SB-CNTFET trạng thái ON và 24 OFF Hình 2.13 Minh họa sơ ñồ khối của một SB-CNTFET với ống nanô 25 cacbon ñược gắn trực tiếp ñến cực nguồn và máng bằng kim loại Hình 2.14 Hoạt ñộng của một CNTFET rào Schottky (SB-CNTFET) 28 Hình 2.15 Cổng ñảo CNTFET bù nội phân tử ñược làm bằng một 29 CNTFET loại p và một CNTFET loại n nối tiếp Hình 2.16 ðường ñặc trưng vào ra của một cổng ñảo dùng CNTFET 29 Hình 2.17 ðặc trưng vào ra của của cổng NOR 30 Hình 2.18 Kết hợp số lẻ các cổng ñảo và dẫn ngõ ra ngược lại ngõ vào 30 thu ñược mạch dao ñộng vòng Hình 3.1 Mô hình NEGF cho Transistor dạng thước nanô 33 Hình 3.2 Mô hình phương pháp “Tự tương thích” 34 Hình 3.3 Mô hình vận chuyển ñiện tử trong kênh dẫn 37 Hình 3.4 Dòng của những ñiện tử vào trong và ra khỏi kênh dẫn một 37 mức năng lượng ε tại ñiện cực nguồn S và ñiện cực máng D Hình 3.5 Sự hình thành dòng ñiện qua kênh dẫn với một mức năng 39 lượng ε Hình 3.6 Mô hình transistor một mức trong trạng thái cân bằng 41 Hình 3.7 Khi ñiện thế kênh dẫn nằm giữa ñiện thế ñiện cực nguồn S 41
ix và ñiện cực máng D Hình 3.8 Mức năng lượng trong kênh dẫn dịch chuyển theo ñiện thế 42 áp vào ñiện cực cổng và không bị ảnh hưởng bởi ñiện thế ñiện cực máng D Hình 3.9 Mô hình ñiện dung ñơn giản cho thế Laplace (UL) của vùng 43 tích cực ñáp ứng lại ñiện thế cực cổng G và ñiện thế cực máng D ñược áp vào từ bên ngoài Hình 3.10 Quá trình lặp cho việc tính toán số ñiện tử N và ñiện thế U 44 trong phương pháp “self – consistent” Hình 3.11 ðiện thế U hiện thời trong kênh dẫn ñược ñiều khiển bởi 47 ñiện thế cực cổng G, ñiện thế cực máng D và ñiện thế cực nguồn S thông qua ba tụ ñiện Hình 3.12 Sự truyền dẫn loại n và loại p phụ thuộc vào thế ñiện hóa 49 nằm trên mức hay dưới mức của mật ñộ trang thái DOS Hình 3.13 Mô hình ma trận chung dựa trên phương pháp NEGF nhiều 50 mức năng lượng. tiếp xúc ‘S’ diễn tả quá trình tán xạ Hình 3.14 Mô hình NEGF có tán xạ phonon và Hamilton trong không 55 gian chuẩn Hình 3.15 Cấu trúc vòng A, B trong CNT 56 Hình 3.16 Sơ ñồ tán xạ phonon trong ống nanô carbon 59 Hình 3.17 Mô hình CNTFET ñồng trục. (a) mô hình vật lý, (b) mô 61 hình toán học Hình 3.18 Sơ ñồ thể hiện cho thuật toán lặp giữa thuật giải NEGF và 63 Poisson Hình 3.19 Cấu trúc tiếp xúc của ống CNT với hai mức Fermi khác 63 nhau của nguồn-máng. Khi có sự chênh lệch giữa hai mức Fermi sẽ xuất hiện dòng ñiện tử chuyển dời qua CNT Hình 3.20 Sơ ñồ thuật toán mô phỏng ñặc trưng I-V của CNTFET 64
x ñồng trục trong chương trình MatLab Hình 3.21 Hộp thoại báo lỗi nhập sai giá trị khi khai báo thông số cho 65 CNTFET ñồng trục Hình 4.1 Cửa sổ chính của chương trình mô phỏng CNTFET ñồng 68 trục Hình 4.2 ðặc tuyến Id-Vds với vật liệu nguồn – máng là Au, Pt, Pd, 70 thế cổng Vg = 0,5 V, nhiệt ñộ là 300 0K, vật liệu ñiện môi là Al2O3 (K = 3) Hình 4.3 ðặc tuyến Id-Vds với vật liệu nguồn – máng là Au, thế 72 cổng Vg = 0,4 V; nhiệt ñộ là 300 0K; vật liệu ñiện môi lần lược là Al2O3 (K = 3), HfO2 (K = 20) và ZrO2 (K = 25) Hình 4.4 (a) ðặc tuyến Id-Vds với vật liệu nguồn – máng là Au; thế 73 cổng Vg = 0,4 V; nhiệt ñộ là 300 0K, ñường kính ống lần lược là 1 nm; 1,4 nm và 2 nm, (b) Kết quả mô phỏng ñược Rasmita Sahoo and R. R. Mishra công bố Hình 4.5 (a) Ảnh hưởng của ñiện thế cổng lên ñặc trưng dòng thế 74 máng của CNTFET, (b) họ ñường cong ID -VDS tương ứng với các giá trị áp cổng VGS của một MOSFET [32], (c) ñặc trưng ID -VDS của CNTFET ñồng trục ñược công bố bởi Leonardo, (d) ñặc trưng ID -VDS của CNTFET ñồng trục ñược công bố bởi Rasmita Sahoo [42] Hình 4.6 ðặc trưng dòng thế máng trong mô phỏng 3D biểu thị sự 75 phụ thuộc của dòng máng bão hòa vào chiều dài kênh dẫn Hình 4.7 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ lên ñặc trưng dòng thế máng của 76 CNTFET ñồng trục trong mô phỏng biểu diễn 3D.(Nhiệt ñộ khảo sát từ 250 oK ñến 350 oK) Hình 4.8 Sư phụ thuộc của dòng máng vào ñộ dày lớp ôxít cổng 77 Hình 4.9 (a) Họ ñường cong Id, Vds,Vgs biểu diễn không gian 3D, (b) 78 ñặc trưng ID-VGS của một MOSFET truyền thống
xi Hình 4.10 So sánh ñặc trưng Id –Vds của CNTFET ñồng trục khi có xét 79 ñến tán xạ phonon quang (OP) với ñặc trưng trong vận chuyển ñạn ñạo Hình 4.11 So sánh ñặc trưng I-V của CNTFET ñồng trục với kết quả 80 của Rasmita Sahoo Hình 4.12 So sánh ñặc trưng I-V của CNTFET ñồng trục với kết quả 81 của Siyuranga Hình 5.1 Qui trình chế tạo CNTFET cổng sau 86 Hình 5.2 Qui trình chế tạo CNTFET cổng trên 88 Hình 5.3 ðặc tuyến Id-Vd ở 3000K ñược phân chia 3 vùng A,B, C 90
xii CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT υ - Mức suy biến trong hàm phân bố Fermi µn - ðộ linh ñộng của ñiện tử µ1 , µ 2 - Hai mức năng lượng Fermi khác nhau a CC - Khoảng cách giữa hai nguyên tử C-C OP - Tán xạ phonon quang (optical phonon scattering) AP - Tán xạ phonon âm (acoustic phonon scattering) CG, CS,CD - Các tụ lượng tử CNT - Ống nanô carbon CNTFET - Transistor trường ống nanô carbon CVD - Kỹ thuật lắng ñọng bay hơi hoá học (Chemical vapor deposition) d - ðường kính ống nanô carbon D - Cực máng của FET D0 - Hàm mật ñộ trạng thái EC - Mức năng lượng cực tiểu của vùng dẫn Eg - ðộ rộng vùng cấm EV - Mức năng lượng cực ñại của vùng hóa trị [G] - Hàm Green [G]+ - Ma trận chuyển vị của hàm Green Gc - ðộ dẫn hai cực gm - ðộ dẫn của kênh h - Hằng số Plank H - Toán tử ma trận Hamilton Ids - Dòng nguồn-máng kB - Hằng số Boltzmann L - Chiều dài kênh dẫn ống nanô carbon MWNT - Ống nanô carbon ña tường SWNT - Ống nanô carbon ñơn tường
xiii mC - Khối lượng nguyên tử C = 12*1.6605e-27 kg NEGF - Thuật toán hàm Green không cân bằng q - ðiện tích ñiện tử q = 1.6.10-19C Q - ðiện tích của tụ ñiện Rt - ðiện trở kênh R - Bán kính ống nanô carbon S - Cực nguồn của FET t=3eV - Năng lượng liên kết giữa C-C tox - ðộ dày cổng oxit cách ñiện dưới cổng Trace - Lấy vết theo ñường chéo các ma trận Vds - Thế nguồn-máng Vg - Thế cổng VTN - Thế ngưỡng ε - Hằng số ñiện môi tương ñối của lớp ôxít cổng εo - Hằng số ñiện môi chân không ψ a(r ) - Hàm sóng trong phương trình Schrodinger SEM - Kính hiển vi ñiện tử quét (Scanning electron microscope) AFM - Kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic force microscope)
-2- MỞ ðẦU Ngành công nghiệp bán dẫn trên thế giới ñang tiếp tục xu hướng thu nhỏ kích thước, giảm công suất tiêu thụ, giảm ñiện áp nguồn nuôi, giảm giá thành, tăng mật ñộ tích hợp, tăng khả năng ñáp ứng tần số và mở rộng dải nhiệt ñộ làm việc của linh kiện. Tuy nhiên, việc giảm kích thước của MOSFET ñến thang nanômét (nm) là có giới hạn vì những lý do sau: - ðiện trường cao, do thế thiên áp ñặt vào trên một khoảng cách rất ngắn có thể ñánh thủng thác lũ tạo nên tràn dòng và hỏng linh kiện. Mặt khác, ở nhiệt ñộ môi trường luôn luôn có nhiễu do nhiệt ñộ gây ra vào khoảng 25 mV. Muốn transistor làm việc ổn ñịnh ở nhiệt ñộ phòng, ñiện áp tác dụng lên nó cần phải lớn hơn ñiện thế nhiễu ít nhất là bốn năm lần, tức cỡ trên 100mV. Khi thu nhỏ kích thước, các ñiện cực càng gần nhau hơn, ñiện thế cỡ 100 mV vẫn gây nên ñiện trường ñủ lớn ñể ñánh thủng chất bán dẫn. - Các transistor trong vi mạch phải cách ñiện với nhau. ðiện tử từ transistor này không ñược rò rỉ qua các transistor khác. Tuy nhiên, khi các transistor quá gần nhau thì hiệu ứng ñường hầm sẽ xảy ra, ñiện tử xuyên qua lớp cách ñiện ngoài ý muốn. - Mật ñộ linh kiện trong mạch càng cao thì khi làm việc nhiệt tỏa ra càng nhiều, nhiệt ñộ cao sẽ làm cho tuổi thọ của linh kiện càng suy giảm. ðiện tử nanô sẽ khắc phục những hạn chế nêu trên và tạo ra những linh kiện yêu cầu nguồn nuôi thấp hơn, hoạt ñộng ở dải nhiệt ñộ rộng hơn, bền vững trong môi trường áp suất cao hay chân không. Những nghiên cứu gần ñây về linh kiện ñiện tử có kích thước dưới 100 nm có các ứng cử viên sáng giá ñể có thể thay thế linh kiện CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) trong tương lai gần, ñó là: ñiôt ñường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Diode, RTD), transistor ñường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Transistor, RTT), transistor trường ống nanô carbon (Carbon Nanotube
-3- Field Effect Transistor, CNTFET), transistor ñơn ñiện tử (Single Electron Transistor, SET), linh kiện phân tử (Molecular Devices, MD), transistor sắt từ (Ferromagnetic Transistor, FT), transistor spin (Spin transistor, ST). Những linh kiện mới này ñã và ñang ñược nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm nổi tiếng trên thế giới qua các dự án R&D do các hãng và các tổ chức ña quốc gia tài trợ như Intel, IBM, AMD, TSMC, Sony,Toshiba, NEC, NASA… Transistor trường ống nanô carbon là một trong các ứng cử viên ñầy hứa hẹn có thể thay thế các transistor trường MOSFET trong tương lai vì những tính chất hấp dẫn của chúng như: tốc ñộ ñáp ứng cao, kích thước nhỏ, công suất tiêu thụ thấp, nhiệt ñộ làm việc ổn ñịnh… Linh kiện sử dụng ống nanô carbon trong nhiều năm qua ñã ñược nghiên cứu, mô phỏng và một số ñã ñược chế tạo trên thế giới. CNTFET là một hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng và thu hút ñược sự chú ý hiện nay vì khả năng chế tạo ra chúng nhờ các công nghệ chế tạo vi mạch hiện hành. Những vấn ñề tán xạ của ñiện tử (tán xạ ñàn hồi và tán xạ không ñàn hồi) có liên quan ñến các mức năng lượng Fermi, nhiệt ñộ, ảnh hưởng của rào thế do tiếp xúc kim loại-bán dẫn ñang ñược các nhà khoa học tiến hành khảo sát và mô phỏng. Việc nghiên cứu CNTFET ñồng trục theo hướng thực nghiệm chưa thể thực hiện ñược trong ñiều kiện hiện nay. Trong khi ñó mô phỏng là phương pháp nghiên cứu cho ra kết quả ñáng tin cậy và hoàn toàn thực hiện ñược. Kết quả mô phỏng sẽ ñịnh hướng cho chế tạo và thực nghiệm. Do ñó, ñây là phương pháp phù hợp ñể nghiên cứu CNTFET ñồng trục. Cho nên tác giả ñã chọn ñề tài “Mô phỏng transistor ống nanô carbon ñồng trục” ñể làm luận án tiến sĩ. Vì ñề tài này có ý nghĩa thực tiễn rất cao trong tình hình hiện nay. Mục tiêu của luận án: - Xây dựng mô hình CNTFET cấu trúc ñồng trục sử dụng ống nanô carbon ñơn tường bán dẫn làm kênh dẫn thay cho kênh dẫn silic của MOSFET truyền thống. Sử dụng các kim loại quý : Au, Pt, Pd, Al làm ñiện cực nguồn và máng, lớp ôxít
-4- cách ñiện là những chất ñiện môi có hằng số ñiện môi cao như : SiO2, Al2O3, HfO2, ZrO2, TiO2, ZrTiO3, Si3N4 … - Sử dụng phương pháp hàm Green không cân bằng (NEGF) kết hợp với Matlab ñể mô phỏng và biểu diễn trong không gian hai chiều, ba chiều họ ñặc tính dòng thế của CNTFET ñồng trục có xét ñến tác ñộng của nhiều yếu tố như : Vật liệu kim loại dùng làm ñiện cực nguồn – máng, chiều dài kênh dẫn, ñường kính của CNT tường ñơn, ñộ dày lớp ôxít cổng, nhiệt ñộ làm việc, ñiện áp cổng và ñiện áp nguồn. - Sử dụng phương pháp hàm Green không cân bằng (NEGF) kết hợp mô phỏng trên Matlab mô phỏng họ ñặc tính dòng thế của CNTFET có xét ñến tán xạ ñiện tử - phonon khi chiều dài kênh dẫn giảm xuống dưới 20 nm. - Xây dựng và phát triển biểu thức quan hệ dòng thế cho CNTFET ñồng trục. - Thiết kế và ñề xuất qui trình chế tạo CNTFET phẳng, bao gồm CNTFET cổng sau riêng biệt và CNTFET cổng trên. Luận án có cấu trúc ñược sắp xếp theo trình tự như sau: Mở ñầu Chương 1: Tổng quan Chương 2: Transistor trường ống nanô carbon Chương 3: Thuật toán hàm Green không cân bằng (NEGF) trong mô phỏng các ñặc trưng của CNTFET ñồng trục Chương 4: Kết quả mô phỏng Chương 5: ðề xuất thực nghiệm Kết luận Tài liệu tham khảo
-5- Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO IC Năm 2009 dòng vi xử lý mới mang tên mã Clarkdale của Intel (có tên thương hiệu Core i3 và Core i5) ñược nhắc ñến rất nhiều. ðây chính là dòng sản phẩm ñầu tiên sản xuất trên dây chuyền công nghệ 32 nm của Intel vừa ñược ra mắt. Ngoài dòng sản phẩm này, Intel sẽ tiếp tục giới thiệu thêm nhiều CPU dựa trên nền tảng Westmere cũng sử dụng công nghệ 32 nm như Arrandale hay Gulftown. Có thể nói, năm 2010 chính là thời ñiểm cho dây chuyền 32 nm cất cánh. Intel cho biết ñang lên kế hoạch ñẩy mạnh việc sản xuất chip 32 nm và tạm dừng phát triển một số dòng chip tích hợp dòng sản phẩm công nghệ 45 nm, với mục ñích vượt mặt ñối thủ AMD trong thời gian tới. 20nm 10nm 50nm 35nm 30nm SiGE S/D SiGE S/D 5nm Khuynh Khuynh Vật liệu cổng Dây nanô k-Cao hướng Silic hướng Silic Cổng kích Chất nền - Si S D S III-V FET G ống nanô Carbon Hình 1.1 Tiến trình giảm nhỏ kích thước của transistor Việc thu nhỏ kích thước của linh kiện CMOS và quá trình công nghệ sẽ trở nên khó khăn nhiều khi tiếp cận công nghiệp 16 nm. Sau thời kỳ của thu nhỏ kích
-6- thước CMOS truyền thống này, các nhà chế tạo cần phải tiếp tục giảm kích thước của transistor bằng cách tích hợp các linh kiện ñiện tử nanô vào nền silic. 1.2. PHÂN LOẠI LINH KIỆN ðIỆN TỬ NANÔ Các nghiên cứu gần ñây ñã ñưa ra nhiều mô hình linh kiện thang nanômét có khả năng thay thế cho linh kiện CMOS trong thiết kế vi mạch như: ðiốt ñường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Diode, RTD), Transistor ñường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Transistor, RTT), Transistor trường ống Nanô Carbon (Carbon Nanotube Filed Effect Transistor, CNTFET), Transistor ñơn ñiện tử (Single Electron Transistor, SET), Transistor ñơn nguyên tử (Single Atom Transistor), Transistor spin (Spin Transistor, ST), Transistor sắt từ (Ferromagnetic Transistor, FT)… LINH KIỆN ðIỆN TỬ NANÔ Transitor ống nanô carbon Linh kiện ñiện tử nanô Linh kiện ñiện tử nanô (CNTFET) hiệu ứng lượng tử hiệu ứng spin Linh kiện ñiện tử nanô bán dẫn Linh kiện ñiện tử phân tử Chấm lượng tử (QD) Linh kiện ñiện tử nguyên tử Linh kiện ñường Linh kiện lai Transistor ñơn hầm cộng hưởng micro - nanô ñiện tử (SET) ðíôt ñường hầm Transistor ñường hầm cộng hưởng (RTD) cộng hưởng (RTT) Hình 1. 2. Phân loại linh kiện ñiện tử nanô Tất cả các linh kiện này ñều hoạt ñộng dựa trên các hiệu ứng xuất hiện ở thang nanômét dưới sự chi phối của cơ học lượng tử. ðặc ñiểm chung của các linh